高中物理竞赛中的高等数学

1、第4页共20页高中物理竞赛中的高等数学一、微积分初步物理学研究的是物质的运动规律，因此经常遇到的物理量大多数是变量，而要研究的正是一些变量彼此间的联系.这样，微积分这个数学工具就成为必要的了.考虑到，读者在学习基础物理课时若能较早地掌握一些微积分的初步知识，对于物理学的一些基本概念和规律的深入理解是很有好处的.所以在这里先简单地介绍一下微积分中最基本的概念和简单的计算方法，在讲述方法上不求严格和完整，而是较多地借助于直观并密切地结合物理课的需要.至于更系统和更深入地掌握微积分的知识和方法，可在通过高等数学课程的学习去完成.1 .函数及其图形1. 1函数自变量和因变量绝对常量和任意常量在数学中函

2、数的功能是这样定义的：有两个互相联系的变量X和y,如果每当变量x取定了某个数值后，按照一定的规律就可以确定y的对应值，那么称y是x的函数，并记作：y=f(x),(A.1);其中x叫做自变量，y叫做因变量,f是一个函数记号，它表示y和x数值的对应关系.有时把y=f(x)也记作尸y(x).如果在同一个问题中遇到几个不同形式的函数，也可以用其它字母作为函数记号，如(x)、”x)等等.1cC吊见的函数可以用公式来表达，例如yf(x)32x,ax-bx,-,cos2x,Inx,ex等等.2x1在函数的表达式中，除变量外，还往往包含一些不变的量，如上面出现的3、2、万、e和a、bc等，它们叫1做常量；常量

3、有两类：一类如3、2、3、e等，它们在一切问题中出现时数值都是确定不变的，这类常量叫做绝对常量；另一类如a、b、c等，它们的数值需要在具体问题中具体给定，这类常量叫做任意常量.在数学中经常用拉丁字母中最前面几个(如a、b、c)代表任意常量，最后面几个(x、v、z)代表变量.当尸f(x)的具体形式给定后，就可以确定与自变量的任一特定值xo相对应的函数值f(xo).例如：(1)若y=f(x)=3+2x,则当x=-2时月(-2)=3+2(-2)=-1.一般地说，当x=xo时，y=f(xo)=3+2xo.cc(2)右yf(x)一，则当xxo时，f(xo)一.xxo1.2函数的图形在解析几何学和物理学中

4、经常用平面上的曲线来表示两个变量之间的函数关系，这种方法对于直观地了解一个函数的特征是很有帮助的.作图的办法是先在平面上取一直角坐标系，横轴代表自变量x,纵轴代表因变量(函数值)y=Kx).这样一来，把坐标为(x,y)且满足函数关系尸f(x)的那些点连接起来的轨迹就构成一条曲线，它描绘出函数的面貌.图A-1便是上面举的第一个例子月(x)=3+2x的图形，其中P1,P2,P3,P4,P5各点的坐标分别为：(-2,-1)、(-1,1)、(0,3)、(1,5)、(2,7),各点连接成一根直线.图A-2是c第一个例子yf(x)一的图形，其中P1,P2,P3,P4,P5各点的坐标分别为：x(一,4c)、

5、(,2c)、(1,c)、(2,)、(4,)各点连接成双曲线的一支.42241.3物理学中函数的实例反映任何一个物理规律的公式都是表达变量与变量之间的函数关系的.下面举几个例子.(1)匀速直线运动公式：s=so+vt.(A.2此式表达了物体作匀速直线运动时的位置s随时间t变化的规律，在这里t相当于自变量x,s相当于因变量y,s是t的函数.因此记作：s=s(t)=so+vt,(A.3)式中初始位置so和速度v是任意常量，so与坐标原点白选择有关，v对于每个匀速直线运动有一定的值，但对于不同的匀速直线运动可以取不同的值.图A-3是这个函数的图形，它是一根倾斜的直线.易知它的斜率等于v.*b图酎3部_

6、&19匀变速直线运动公式：sSov0t2at,(A.4),v=v0+at.(A.5)两式中s和v是因变量，它们都是自1变重t的函数，因此记作：ss(t)Sovt-at,(A.6),v=v(t尸V0+at,(A.7)图A-4a、4b分别是两个函数的图形，其中一个是抛物线，一个是直线.(A.6)和(A.7)式是匀变速直线运动的普遍公式，式中初始位置so、初速vo和加速度a都是任意常量，它们的数值要根据讨论的问题来具体化.例如在讨论自由落体问题时，若把坐标原点选择在开始运动的地方，则so=0,vo=0,a=g=9M/s2,这时(A.6)1和(A.7)式具有如下形式：ss(t)2gt2,(A.8);v

7、=v(t)=gt.(A.9);这里的g可看作是绝对常量，式中不再有任意常量了.(3)玻意耳定律：PV=C.(A.10上式表达了一定质量的气体，在温度不变的条件下，压强P和体积V之间的函数关系，式中的C是任意常量.可C以选择V为自变量，P为因变量，这样，(A.10)式就可写作：PP(V)C,(A.11)它的图形和图A-2是一样的，只不过图中的x、y应换成V、P.在(A.10)式中也可以选择P为自变量，V为因变量，这样它就应写成：VV(P)C,(A.12)由此可见，在一个公式中自变量和因变量往往是相对的.(4)欧姆定律：UIR.(A.13)当讨论一段导线中的电流I这样随着外加电压U而改变的问题时，

8、U是自变量，I是因变量，R是常量.这时，(A.13)式应写作：IIWU,(A.14);即I与U成正比.R应当指出，任意常量与变量之间的界限也不是绝对的.例如，当讨论串联电路中电压在各电阻元件上分配问题时，由于通过各元件的电流是一样的，(A.13)式中的电流I成了常量，而R是自变量，U是因变量.于是U=U(R)=IR,(A.15)即U与R成正比.但是当讨论并联电路中电流在各分支里的分配问题时，由于各分支两端具有共同的电压，(A.13)式中的U就成了常量，而R为自变量，I是因变量，于是：II(R)U,(A.16)R即I与R成反比.总之，每个物理公式都反映了一些物理量之间的函数关系，但是其中哪个是自

9、变量，哪个是因变量，哪些是常量，有时公式本身反映不出来，需要根据所要讨论的问题来具体分析.2.1极限若当自变量X无限趋近某一数值X0(记作X-X0)时，函数f(x)的数值无限趋近某一确定的数值a,则a叫做x-xo时函数f(x)的极限值，并记作：XimX0f(x)a,(A.17)(A.17)式中的“lim”是英语“limit(极限)”一词的缩写，(A.17)式读彳“当x趋近xo时，f(x)的极限值等于a”.极限是微积分中的一个最基本的概念，它涉及的问题面很广.这里不企图给“极限”这个概念下一个普遍而严格的定义，只通过一个特例来说明它的意义.考虑下面这个函数：yf(x)3XX上，(A.18),这里

10、除x=1外，计算任何其它地方的函数值都是没有x1困难的.例如当x0时，f(0)2,当x2,f(2)8,等等.但是若问x=1时函数值f(1)=?,就会发现，这时(A.18)式的分子和分母都等于0,即f(1),!用0去0除以0,一般地说是没有意义的.所以表达式(A.18)没有直接给出f(1),但给出了x无论如何接近1时的函数值来.下表列出了当x的值从小于1和大于1两方面趋于1时f(x)值的变化情况：表A-1x与f(x)的变化值x3x2x2x13xx2f(x)x10.9-0.47-0.14.70.99-0.0497-0.014.970.999-0.004997-0.0014.9970.9999-0.

11、00049971-0.00014.99971.10.530.15.31.010.5030.015.031.0010.0050030.0015.0031.00010.000500030.00015.0003从上表看，x值无论从哪边趋近1时，分子分母的比值都趋于一个确定的数值5,这便是x-l时f(x)的极限值.其实计算f(x)值的极限无需这小麻烦，只要将(A.18)式的分子彳因式分解：3x2-x-2=(3x+2)(x-1),并在xl的情况下从分子和分母中将因式(x1)消去：yf(x)(3x2)(x1)3x2(x1);即可看出：x趋于1时，函数f(x)x1的数值趋于：3X1+2=5.一一,，一一，,

12、，一、3x2x2所以根据函数极限的定义，limf(x)limx5.x1x1x12. 2几个物理学中的实例(1)瞬时速度当一个物体作任意直线运动时，它的位置可用它到某个坐标原点O的距离s来描述.在运动过程中s是随时间t变化的，也就是说，s是t的函数：s=s(t).函数s(t)表示的是这个物体什么时刻到达什么地方.形象一些说，假如物体是一列火车，则函数s(t)就是它的一张“旅行时刻表”.但是，在实际中往往不满足于一张“时刻表”，还需要知道物体运动快慢的程度，即速度或速率的概念.例如，当车辆驶过繁华的街道或桥梁时，为了安全，对它的速率就要有一定的限制；一个上抛体(如高射炮弹)能够达到怎样的高度，也与

13、它的初始速率有关，等等.为了建立速率的概念，就要研究在一段时间间隔里物体位置的改变情况.假设考虑的是从t=t0至Ijt=t1的一段时间间隔，则这间隔的大小为：t=t1-t0.根据s和t的函数关系s(t)可知，在t0和t1=t0+A两个时刻，s的数值分别为s伽)和s(t1)=s(t0+At),即在to到t1这段时间间隔里s改变了：$=s(t1)s(to)=s(t0+At)s(to).在同样大小的时间间隔At里，若s的改变量$小，就表明物体运动得慢，所以就把s与t之比一叫做这段时间间隔里的平均速率，用V来表示，则V%一t)s(t0),(A.19),举例说明如下.对于匀变速直线运动，根据(A. 4)

14、式有s(t0)2 -%vt at。和 s(t021,、2,s(t t)s(t0)s0V0(t0-2a(t。卜(80 Voto at )(V0t) so Vo(tot)、1,、2ato) t ；a( t)1 a(to2Vo ato平均速率V-s反映了物体在一段时间间隔内运动的快慢，除了匀速直线运动的特殊情况外，一s的数值或多或少与t的大小有关；t取得越短，广就越能反映出物体在tto时刻运动的快慢；通常就把t0时一的极限值叫做物体在t=to时刻的瞬时速率V,即Vltmolitmosit)at0),(A.20)s1对于匀变速直线运动来说，vlimolim1%ah-at)%at0.这就是熟悉的匀变速直

15、线运动的速率公式(A.5).(2)瞬时加速度一般地说，瞬时速度或瞬时速率v也是t的函数：v=v(t).但是在许多实际问题中，只有速度和速率的概念还不够，还需要知道速度随时间变化的快慢，即需要建立“加速度”的概念.平均加速度a和瞬时加速度a概念的建立与v和v的建立类似.在直线运动中，首先取一段时间间隔to到tl,根据瞬时速率v和时间t的函数关系v(t)可知，在1=10和1=ti两时刻的瞬时速率分别为v(to)和v(ti)=v(to+At),因此在to到ti这段时间间隔里v改变了ev(to+At)-v(to).通常把一v叫做这段时间间隔里的平均加速度，记作a；a-vv(t一t)v(to),(A.2

16、1)举例来说，对于匀变速直线运动，根据(A.5)式有v(to)voah,v(tot)voa(tot).所以平均加速度为av一t)v(to)voa(to一t)(voato)a(常数).ttt对于一般的变速运动，a也是与t有关的，这时为了反映出某一时刻速度变化的快慢，就需要取_v在to时的极限，这就是物体在t=to时刻的瞬时加速度a：alimot1网%；v(to),(A.22)(3)应用举例水渠的坡度任何排灌水渠的两端都有一定的高度差，这样才能使水流动.为简单起见，假设水渠是直的，这时可以把x坐标轴取为逆水渠走向的方向(见图A-5),于是各处渠底的高度h便是x的函数：h=h(x).知道了这个函数，

17、就可以计算任意两点之间的高度差.在修建水渠的时候，人们经常运用“坡度”的概念.譬如说，若逆水渠而上，渠底在100m的距离内升高了2ocm,02m2人们就说这水渠的坡度是02m焉，因此所谓坡度，就是指单位长度内的高度差，它的大小反映着高度随长度变100miooo化的快慢程度.如果用数学语言来表达，就要取一段水渠，设它的两端的坐标分别为X0和xi,于是这段水渠的长度为：x=xi-xo.根据h和x的函数关系h(x)可知，在xo和xi=xo+4x两地h的数值分别为h(xo)和h(xi)=h(xo+Ax),所以在*这段长度内h改变了：h：h(xo+Ax)-h(xo).根据上述坡度的定义，这段水渠的平均坡

18、度为：khx一x)h(xo),(A.23)xx前面所举例子，*采用了i00米的数值.实际上在i00米的范围内，水渠的坡度可能各处不同.为了更细致地把水渠在各处的坡度反映出来，应当取更小的长度间隔x,x取得越小，就越能精确反映出x=xo处的坡度.所x以在x=xo处的坡度k应是x0时的平均坡度k的极限值，即klimlimhxx)”),(A.24)，x0xxox2.3函数的变化率导数前面举了三个例子，在前两个例子中自变量都是t,第三个例子中自变量是x.这三个例子都表明，在研究变量与变量之间的函数关系时，除了它们数值上“静态的”对应关系外，往往还需要有“运动”或“变化”的观点，着眼于研究函数变化的趋势

19、、增减的快慢，即函数的“变化率”概念.当变量由一个数值变到另一个数值时，后者减去前者，叫做这个变量的增量.增量，通常用代表变量的字母前面加个来表示.例如，当自变量x的数值由xo变到xi时，其增量就是Ax=xi-xo.(A.25)与此对应.因变量y的数值将由yo=f(xo)变到yi=f(xi),它的增量为Ay弓i-yo=f(xi)f(xo)=f(xo+4x)f(xo).(A.26)应当指出，增量是可正可负的，负增量代表变量减少.增量比fx一x)f(xo),(A.27)xx可以叫做函数在x=xo到x=xo+x这一区间内的平均变化率，它在x-O时的极限值叫做函数y=f(x/x的导数或微商，记作y或f

20、(x),yf(x)limrlim上四x)豆,(A.28)xoxxox除y或f(x)外，导数或微商还常常写作dy、df、q等其它形式.导数与增量不同，它代表函数在一点的性dxdxdx质，即在该点的变化率.应当指出，函数f(x)的导数f(x)本身也是x的一个函数，因此可以再取它对x的导数，这叫做函数y=f(x)的二阶导.2.2数，记作y、f(x)、*等；yf(x)丁y；磔);f(x),(A.29)dxdxdxdxdx据此类推，则不难定义出高阶的导数来.有了导数的概念，前面的几个实例中的物理量就可表示为：2瞬时速率：v,(A.30);瞬时加速度：a,(A.31);水渠坡度：k一,(A.32).dtd

21、tdt2dx2. 4导数的几何意义在几何中切线的概念也是建立在极限的基础上的.如图A-6所示，为了确定曲线在P0点的切线，先在曲线上P0附近选另一点Pi,并设想Pi点沿着曲线向P0点靠拢.P0P1的联线是曲线的一条割线，它的方向可用这直线与横坐标轴的夹角”来描述.从图上不难看出，Pi点愈靠近P0点，a角就愈接近一个确定的值吗当Pi点完全和P0点重合的时候，割线P0P1变成切线P0T,a的极限值如就是切线与横轴的夹角.在解析几何中，把一条直线与横坐标轴夹角的正切tan叫做这条直线的斜率.斜率为正时表示“是锐角，从左到右直线是上坡的(见图A-7a)；斜率为负时表示a是钝角，从左到右直线是下坡的(见

22、图A-7b).现在来研究图A-6中割线P0P1和切线BT的斜率.MPP)M设P0和Pi的坐标分别为(x,y)和(x0+Ax,y0+Ay),以割线P0P1为斜边作一直角三角形P0P1M,它的水平边P0M的长度为*,竖直边MPi的长度为y,因此这条割线的斜率为：tan如果图A-6中的曲线代表函数y=f(x),则割线P0P1的斜率就等于函数在x&附近的增量比一y,切线P(T的低x斜率tan0是PP。时，割线P0P1斜率的极限值，即tan0limtanlimf(x);所以导数的几何意义是PP。PP。x切线的斜率.注导数的运算利用它们可以把常见函数的导数求出来.在上节里只给出了导数的定义，本节将给出以下

23、一些公式和定理,3. 1基本函数的导数公式y= f(x) = C(常量)：yf (x) limx 0f (xx)f(x) CC0;xlimx 0xy= f(x)=x： y f (x).f (x limx 0x) xf(x)lim (x 0x) xxlim 1;x 0 xy= f(x)=x2: y f (x)f (x limx 0x) xf(x)(x limx 0x)2 x2 xlim(2 xx 0y= f(x)=x3： y f (x)f (x limx 0x)xf(x)(x lim x 0x)3x3 x_2lim3 x1.y= f(x) = 一： y f (x)f (x limx)f(x)11

24、xx_xxx 0xlim x 0x(1)(3)(4)x) 2x;_23x x ( x)13x2 ；. x (x x) .1lim - lim x 0 (x x)x x x 0 (x x)x(6) y=f(x)=京：y f (x) lim f_x)f(x)xmo三二(x x)2 ( , x)2x( x x x)上面推导的结果可以归纳成一个普遍公式：当y x时,1x Jxdxndxnx1 , （n 为任何数），（A. 33）.例如：当n1时,f(x)x,2时,f(x)3时,f(x)dx 、一 1dxdx2dxdx3dx2x ；1时，yf(x)f(x)1 x?(-) dx xd . xdx1)x利用

25、（A.33）式还可以计算其它募函数的导数（见表A-2）.对数函数和指数函数.现在只给出这些函数的导数公除了备函数xn外，物理学中常见的基本函数还有三角函数、式（见表A-2）而不推导，解题时可以直接引用.3. 2有关导数运算的几个定理uv dulim x 0 xxdxdvdx定理一:dxu（x）v（x）dx*（A34）.证明：u(x)v(x)lim-vdxx0x：_a_dddud、dv7E理一：一u(x)v(x)v(x)一u(x)一,(A.35).dxdxdx证明：Qu(x)v(x)iimu(x)uv(x)vu(x)v(x)limv(x)uu(x)vuvdxx0xx0xu,、vdu,、dvlim

26、v(x)u(x)v(x)u(x).x0xxdxdx表A-2基本导数公式函数y=f(x)导数yFx)函数y=f(x)导数y=fx)a任思常重）01J1n2b1-2_2xpl22(Vx)x（n为任思,常量）n-1nx13/-Ln-x(五)3Lr-2x2商n=1,x1n=2,x22xsinxcosxn=3,x33x2cosxsinx.11n1,xx/八21(1)xxlnx1xC21n2,xfx(2)x3Vxxexe121n2,x12-L-2x毋d证明：一uv(x)dx.uv(xlimx0x)xuv(x)u(vv)v(v)v-xu(v则v)v(v)v.vx例1.求y2xa2(a为常量)的导数.解：dx

27、dx2dxda22xdx02x.例2.求y,xlna(a为常量)的导数.解：手dxdlnxdxdlnadx10x1x例3.求y2ax(a为常量)的导数.解：当dxdaxdx2dx2adx0x2:a2x2ax.例4.求y2xxe的导数.解：包dxdx2edxx2dexxdx2xx2xexe2x(2xx)e.例5.求y3x25x二的导数.1解：dyd(3x2dx-2(5x1)s2c、d(5x1)(3x2)-dx,6x(5x21)(3x2)2515x6x10.dx(5x例6.求ytanx的导数.dudvdvdx2(5x1)1)22(5x1)定理三：d u(x)一/、du . . dvv(x)dx )

28、 晟,(A. 36).dx v(x) u(x) 证明：d U(x)lim v(x)dx v(x)x 0v(x) u u(x) v v(x) xlim -x 0 v(x)定理四：,duv(x)dxdvv(x) u(x)x vv(x) dvlim u(x) uv(x) v(x) vu(x) lim v(x) u u(x) vx 0v(x)vv(x) x x 0 v(x) vv(x)xdudvv(x)u(x)-dxdx.2v(x),(A. 37). dx解：dy邑时刈4.)dx dxdx cosxd sin x d cos x .cos x sin xdx dx2cos xcosx cosxsin

29、x ( sin x)2cos x2cos x2sec x例 7.求 y cos(ax b) (a、b为常量)的导数.解：令 v ax b, y u (v)cosv ,贝U dxdu dv (sin v) a asin(ax b). dv dx例8.求y的导数.解：令v x2- dy du dv1, y u(v)小,则dx - dx1 2x2 .v 2x例9.求y2 ax x e,2解：令u(a为常量)的导数.2 dy dx2ax ,贝U udx dxx2 du dv 2xu x2 ev ( 2ax) 2x(1 dv dx2、 2ax ax )e4.微分和函数的哥级数展开4. 1微分自变量的微分

30、，就是它的任意一个无限小的增量*.用dx代表x的微分，则dx=4x.(A.38)一函数y=f(x)的导数f(x)乘以自变量的微分dx即为该函数的微分，用dy或df(x)表示，即dy=df(x)=f(x)dx,(A.39)所以f(x)虫，(A.40)dx在之前曾把导数写成曳的形式，是把它作为一个整体引入的.当时它虽然表面上具有分数的形式，但在运算时并dx不象普通分数那样可以拆成“分子”和“分母”两部分.在引入微分的概念之后，就可把导数看成微分dy与dx之商(所谓“微商”)，即一个真正的分数了.把导数写成分数形式，常常是很方便的，例如，把上节定理四(A.37)式的左端;uv(x)简写成半，则该式化

31、为当当当；此公式从形式上看和分数运算法则一致，很便于记忆.dxdxdxdvdx下面看微分的几何意义.图A-8是任一函数y=f(x)的图形，P0(x0,y0)和Pi(x0+4x,yc+y)是曲线上两个邻近的点，P0T是通过P0的切线.直角三角形P0MP1的水平边PMx,竖直边丽y(见图A8).设PT与MP的交点为N,则tanNRMMNMN,但tanNRM为切线P0T的斜率，它等于x=x。处的导PMx数f(x0),因此dyf(x0)xtanNP0MxMN.所以微分dy在几何图形上相当于线段MN的长度，它和增量y而相差而一段长；从上一节计算导数时取极限的过程可以看出，dy是y中正比于x的那一部分，而

32、丽则是正比于(x)2以及*更高哥次的各项之和例如对于函数y=f(x)=x3,Ay=3x2Ax+3x(Ax)2+(A)3,而dy=f(x)4x=3x24x.当*很小时，(*)2、(Ax)3、比*小得多，而也就比dy小得多，所以可以把微分dy叫做增量y中的线性主部.也就是说，若函数在x=%的地方像线性函数那样增长，则它的增量就是dy.4. 2哥函数的展开已知一个函数f(x)在x=x0一点的数值f(x0),如何求得其附近的点x=x0+Ax处的函数值f(x)=f(x0+4x)?若f(x)为x的哥函数xn,可以利用牛顿的二项式定理：nnnxnxnxn(n1)x2n(n1)(n2)x3f(x)x(%x)x

33、e1()f(%)1()f(%)1n(-)-(7)()-(-)(n)()x0%2!%3!%nn(n1)(nm1),x、mf(x0)-T-(),(A.41)m0m!x0此式适用于任何n(整数、非整数、正数、负数等等).若n为正整数，则上式中的级数在M=n的地方截断，余下的项自动为0,否则上式为无穷级数.不过当xvvr时，后面的项越来越小，只需保留有限多项就足够精确了.不要以为数学表达式越精确越好.如图A-9中A、B两点间的水平距离为I,若将B点竖直向上提高一个很小的距离a(a1的项都趋于0,于是有fx0)=a1；再次求导，得m1f(x)m(m1)am(x%)m2,当x-x0时，m2的项都趋于0,于

34、是有f(x0)=2a2；如此类推，一般地说，对于Mm2(m)/阶导数有f(M)(x0)M!aM;于是(A.42)式可以写为：f(x)f(%)3(xA)m,(A.43).mMm!严(x)(x02(x xo)m , (A. 44).o m!若定义第0阶导数f(x)就是函数f(x)本身，则上式还可进一步简写为：f(x)上述(A.43)或(A.44)式称为泰勒展开式，它在物理学中是非常有用的公式.下面在表A-3中给出几个常见函数在xo=0或1处的泰勒展开式.表A-3常见函数的哥级数展开式函数展开式收敛范围1(1x广,11121133113541xxxx2242462468lx13(1x广3312311

35、3311341xxxx2242462468lx15(1x)2,55325313531141xxxx2242462468lx11(1x),11321353135741xxxx2242462468lx13(1x)加彳33523573357941xxxx2242462468lx15(1x)2557257935791141xxxx2242462468lx1(1x)142341xxxxlx1(1x)212x3x24x35x4lx1sinx357xxxx3!5!7!lxcosx246xxx12!4!6!lxtanx1325177629x-x-xxx3153152835lxxe234xxxx11!2!3!4

36、!lxln(1x)234xxxx2341x1ln(1x)234/xxx、(x7-)2341x15.积分5.1几个物理中的实例(1)变速直线运动的路程大家都熟悉匀速直线运动的路程公式.若物体的速率是V,则它在ta到tb一段时间间隔内走过的路程是$=4也一ta),(A.45).对于变速直线运动来说，物体的速率v是时间的函数：v=v(t),函数的图形是一条曲线(见图A-10a),只有在匀速直线运动的特殊情况下，它才是一条直线(参见图A4b).对于变速直线运动，(A.45就已不适用.(1是，可以把t=ta到1=也这段时间间隔分割成许多小段，当小段足够短时，在每小段时间内的速率都可以近似地看成是不变的.

37、这样一来，物体在每小段时间里走过的路程都可以按照匀速直线运动的公式来计算，然后把各小段时间里走过的路程都加起来，就得到ta到tb这段时间里走过的总路程.设时间间隔(tbta)被t=tl(=ta)、t2、t3、tn、tb分割成n小段，每小段时间间隔都是t,则在tl、t2、t3、tn各时刻速率分别是V(tl)、V(t2)、V(t3)、V(tn).若把各小段时间的速率V看成是不变的，则按照匀速直线运动的公式，物体在这些小段时间走过的路程分等于V(ti)4t、V(t2)At.V(t3)4t、V(tn)At,于是，在整个(tb-ta)这段时间里的n总路程是sv(ti)tv(t2)tv(t3)tv(tn)

38、tv(ti)t,(A.46).i1现在再看看上式的几何意义.在函数v=v(t)的图形中，通过t=ti、t2、t3、tn各点垂线的高度分别是v(tl)、v(t2)、nv(t3)、v(tn)(见图A-10b),所以v(tl)A、v(t2)A、v(t3)4t、v(tn)A就分别是图中那些狭长矩形的面积，而v(ti)ti1则是所有这些矩形面积的总和，即图中画了斜线的阶梯状图形的面积.在上面的计算中，把各小段时间t里的速率v看做是不变的，实际上在每小段时间里v多少还是有些变化的，所以上面的计算并不精确.要使计算精确，就需要把小段的数目n加大，同时所有小段的At缩短(见图A10c).At越短,在各小段里v

39、就改变得越少，把各小段里的运动看成匀速运动也就越接近实际情况.所以要严格地计算变速运动的路n程s,就应对(A.46)式取n一3A一。的极限，即s1tm0v(ti)t,(A47)i1当n越来越大,A越来越小的时候，图A-10中的阶梯状图形的面积就越来越接近v(t)曲线下面的面积(图A-10d).所以(A.47)式中的极限值等于(tbta)区间内v(t)曲线下的面积.总之，在变速直线运动中，物体在任一段时间间隔(tbta)里走过的路程要用(A.47就来计算，这个极限值的几何意义相当于这区间内v曲线下的面积.(2)变力的功当力与物体移动的方向一致时，在物体由位置s=伞移到s=sb的过程中，恒力F对它

40、所作的功为：A=F(sb-sa)(A.48)；若力F是随位置变化的，即F是s的函数：F=F(s),则不能运用(A.48)式来计算力F的功.此时，也需要象计算变速运动的路程那样，把(sb字)这段距离分割成n个长度为$的小段(见图A11)：Ska-Sj斗SjSn=Sti图A-12并把各小段内力F的数值近似看成是恒定的，用恒力作功的公式计算出每小段路程$上的功，然后加起来取n-sAs-O的极限值.具体地说，设力F在各小段路程内的数值分别为F(s。、F(s2)、F(s3)、F(sn),则在各小段路程上力F所作的功分别为F(s1)4s、F(s2)AsF(s3)4s、F(sn)As,在(sbs)整段路程上

41、力F的总功A就近似n地等于F(s)s；因为实际上在每一小段路程上加F都是变化的，所以严格地计算，还应取n-g4s-o的极值,i1n即Altm0F(s)s,(A.49)同上例，这极限值应是(sbsa)区间内F(s)下面的面积(见图A-12).ni15. 2定积分0B色多%Sn=$b图AT2以上两个例子表明，许多物理问题中需要计算象(A. 47)和(A. 49)式中给出的那类极限值.概括起来说，就是要解 决如下的数学问题：给定一个函数f(x),用x= x1(=a)、X2、X3、xn、b把自变量x在(b a)区间内的数值分成n小段,n设每小段的大小为*,求n-s 段一。时 f(x) x的极限；通常把

42、这类形式的极限用符号i 1bf(x)dx来表示,即 aa f (x)dx lim0f(xi) x (a 50)；n i 1bf(x)dx叫做x a到x b区间内f(x) Xx的定积分, af(x)叫做被积函数,b和a分别叫做定积分的上限和下限.tbSb用定积分的符号来表示，(A.47)和(A.49)式可分别写为stv(t)dt,(A.51)、AF(s)ds,(A.52).taSa在变速直线运动的路程公式(A.51)里，自变量是t,被积函数是v(t),积分的上、下限分别是tb和ta；在变力作功的公式(A.52)里，自变量是s,被积函数是F(s),积分的上、下限分别是Sb和sa.求任意函数定积分的

43、办法有赖于下面关于定积分的基本定理：若被积函数f(x)是某个函数X)的导数，即f(x)=x)(则在x=a到x=b区间内f(x)对x的定积分等于X)在这b,区间内的增量，即f(x)dx(b)(a),(A.53).下面来证明上述定理.a在aa由区间内任选一点K,首先考虑中仅)在x=x到x=xi+Ax=xi+i区间的增量狈)=xi+i)-M)：(X)一%)x,当x0时，可用x)的导数(x)d代替；但按照定理的前提，x)=f(x),xdxxba f (x)dx lim f (x1) x f (x2) xn(注 1)故x)=(Jx)4x=f(x)4x式中林示“近似等于，若取x-O的极限，上式就是严格的等

44、式.把aa由区间分成n-1小段，每段长X；上式适用于每小段.根据积分的定义和上式，有:f(xn1)xlixm0(x1)(x2)nlim(x2)(x1)(x3)(x2)(xn)(xn1)的)供)n因x1=a,xn=b,于是得(A.53)式，至此定理证毕.下面看看函数x)在f-x图(见图A-13)中所表现的几何意义.如前所述，M尸为+1)-xi)=f(x)x,正是宽为x、高为f(xj正的一个矩形(即图A13中的xx-NP)的面积.它和曲线段PiPi+1下面的梯形xixi+1Pi+1Pi的面积只是相差一小三角形PiNPi+1的面积.当x-O时，可认为就是梯形xxi+1P+1Pi的面积.既然当x由x变

45、到xi+1时，x)的增量的几何意义是相应区间f-x曲线下的面积，则中幻本身的几何意义就是从原点。到x区间f-x曲线下面的面积加上一个常量C=(0)例如中xi)的几何意义是图形OxPiP0的面积加C,x+1)的几何意义是图形OK+1Pi+1B的面积加C,等等.这样，M尸x+1)-x就是：(Ox+1Pi+1P0的面积+C)-(OxPiP0的面积+C)=xx+1Pi+1Pi的面积，而b)-0)的几何意义是：(ObPbP。的面积+C)(OaPaB的面积+C)=abPbPa的面积.b它相当于定积分af(x)dx的值.图AT3f5.3不定积分及其运算在证明了上述定积分的基本定理之后，就可以着手解决积分的运

46、算问题了.根据上述定理，只要求得函数x)b的表达式，利用(A.53成立即可以算出定积分f(x)dx来，那么，给出了被积函数f(x)的表达式之后，怎样去求中x)a的表达式呢？上述定理说明，x)=f(x),所以这就相当于问f(x)是什么函数的导数.由此可见，积分运算是求导的逆运算.如果f(x)是中x)的导数，可以称x)是f(x)的逆导数或原函数.求f(x)的定积分就可以归结为求它的逆导数或原函数.在上节里讲了一些求导数的公式和定理，常见的函数都可以按照一定的法则把它们的导数求出来.然而求逆导数的问题却不像求导数那样容易，而需要靠判断和试探.例如，知道了x)=x3的导数x)(=3x2,也就知道了F(

47、x)=3x2的逆导数是x)=x3；这时，如果要问函数f(x)=x2的逆导数是什么，那么就不难想到，它的逆导数应该是x3/3；这里要指出一点，即对于一个给定的函数f(x)来说，它的逆导数并不是唯一的.1(x)=x3/3是f(x)=x2的逆导数，G(x)=x3/3+1和3(x)=x3/35也都是它的逆导数，因为1x)、6xl、3x)都等于x2一般说来，在函数f(x)的某个逆导数x)上加一任意常量C,仍旧是f(x)的逆导数.通常把一个函数f(x)的逆导数的通式x)+C叫做它的不定积分，并记作f(x)dx,于是f(x)dx(x)C,(A.54).因在不定积分中包含任意常量，它代表的不是个别函数，而是一

48、组函数.表A-4基本不定积分公式函数f(x)不定积分f(x)dx函数f(x)不定积分f(x)dxxn(n1)n1Cn1当n1时，x1x2-C2当n2时，x235C3当n3时，x34-C4,一，21当n2时，x2xx11C-C1x1i1l当n2时，xF3x2,-3C-(Vx)C23111当n一时，x也下2vx12AC24C2t3ii1当口5时，*西1c2cCCC2xxsinxcosxCcosxsinxC1xln|x|CxeexC上面所给的例子太简单了，一眼就能猜到逆导数是什么.在一般的情况下求逆导数，首先要求对各种函数的导数掌握得很熟练，才能确定选用那一种形式的函数去试探.此外，掌握表A-4中给

49、出的基本不定积分公式和其后的几个有关积分运算的定理，也是很重要的.(表中的公式可以通过求导运算倒过来验证，望读者自己去完成)下面是几个有关积分运算的定理.定理一若f(x)au(x)(a是常量)，则f(x)dxau(x)dx,(A.55).定理二若f(x)u(x)v(x),则f(x)dxu(x)dxv(x)dx,(A.56).这两个定理的证明是显而易见的，下面利用这两个定理和表A-4中的公式计算两个例题.例10.求5x2dx.解：5x2dx5x2dx5x3C.3例11.求(3x3x4)dx.fQQ31O解：(3x3x4)dx3x3dxxdx4dx-x4-x24xC.42定理三若f(x)u(v)v

50、(x),则f(x)dxu(v)v(x)dxu(x)dx,(A.57).此定理表明，当f(x)具有这种形式时，就可以用v来代替x作自变量，这叫做换元法.经过换元往往可以把比较复杂的积分化成表A-4中给出的现成结果.再看看下面几个例题.例12.求sin(axb)dx.1cosv C a1，cos(ax a解：令u(v)sinv,v(x)axb,dvv(x)dxadx,经换元得:1.sin(axb)dx-sinvdva例13.求sinxcosxdx.解：令 v(x) sinx ,则 dvv(x)dx cosxdx, 于vdv第16页共20页xdx例14.求22xa解：令u(v)例15.求1,、忑 v(x)dx2 a2 ,贝(J dv v(x)dx2xdx,于xdxx2-v=疝 C Vxa C 2 . vx a. 人1解：令u(v) -，v(x) x a ,则 dv v(x)dx dx ,于 v，曰 dxZE x advln v5.4通过不定积分计算定积分当求得不定积分f(x)dx(x)C之后，再将它们的上、下限的数值代入相减，就得到所求的定积分的值:f(x)dx(b)(a),(A.58).作定积分运算